JP5833121B2 - 尿素溶液を内燃機関の排ガストレインに噴射するための噴射装置 - Google Patents

Description

内燃機関、特に自動車を駆動するための内燃機関の排ガス品質に対する要求は年々高まってきている。とりわけディーゼルエンジンにおいては、ＮＯ_Ｘの放出が問題になり、いわゆるＳＣＲ触媒器を用いてこの問題に対処される。ＳＣＲ触媒器においては、通常尿素水溶液の形態で触媒器に供給されるＮＨ_３を用いて、環境を汚染するＮＯ_ｘがＮ_２とＨ_２Ｏとに変換される。

尿素溶液を内燃エンジンの排ガスに供給するには、従来のように電気作動ポンプと電気制御配量弁とを含んでいる配量システムが必要である。このような配量システムは製造、組立、保守の点で煩雑であり、高価である。

特許文献１は、吸込み部と、排出部と、液体を受容するためのポンプ室と、第１の位置と第２の位置との間で移動可能で、液体をポンプ室から排出部へ汲みだすために設置されたアクチュエータとを備えた液体ポンプを開示している。吸込み部と排出部とは、アクチュエータが第１の位置にあるときに供給通路と流体結合している。供給通路は、アクチュエータから液体への熱伝導を可能にするために、アクチュエータのまわりに延在している。

特許文献２は、排ガス低減システムに還元剤を提供するために設けられた高圧配量ポンプを記載している。この高圧配量ポンプは、ポンプの弁箱の内側穴の中に可動に配置されているピストンを駆動するため、電磁石を有している。前記内側穴は、吸込み一方向弁と排出一方向弁とを備えた圧力室を有している。ピストンが移動すると、還元剤は高圧で噴射ノズルに供給される。噴射ノズルは、排ガス中の望ましくない有害物質を最大限に低減できる個所に配置されている。

欧州特許出願公開第１８７８９２０Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２９５００３Ａ１号明細書

本発明の課題は、流体の効率的な噴射を可能にし、低コストで製造、組立、保守ができるように改善した配量システムを提供することである。

この課題は、独立請求項１に記載の本発明による配量システム用噴射装置によって解決される。従属項は本発明による噴射装置の有利な構成を記載している。

本発明による噴射装置は、特に流体を内燃エンジンの排ガストレインに噴射するために構成され、バルブニードルと、少なくとも１つの噴射穴を備えた噴射室と、制御室とを有している。この噴射装置は、噴射室と制御室との間の圧力差が、バルブニードルを、該バルブニードルが噴射室から噴射穴を通過するように流体の流れを解放する開口位置と、バルブニードルが噴射穴を閉鎖する閉鎖位置との間で移動させるように構成されている。噴射室と制御室とは流体供給部と液圧結合されて、該流体供給部内での圧力上昇が、噴射室内での圧力上昇と、該噴射室内での圧力上昇に比べて時間的に遅れた制御室内での圧力上昇とを生じさせる。これにより、噴射室と制御室との間に一時的に圧力差が発生し、この圧力差がバルブニードルを閉鎖位置から開口位置へ移動させる。

このような噴射装置は簡潔に低コストで構成され、作動の点で信頼性がある。ノズルニードルの開閉が噴射室と制御室との間の圧力差によって液圧で行われるので、このような噴射装置はノズルニードルにダイレクトに作用するアクチュエータがなくてもよい。アクチュエータは噴射圧が高いために複雑であり、高価であり、故障しやすい。

１実施態様では、制御室は制御室供給絞りを介して前記供給部と液圧結合されている。このような供給絞りによって、制御室内への流体の供給を調整可能である。特に、流体の供給を絞ることによって制御室内での圧力上昇を遅らせることができ、ノズルニードルの開閉挙動を制御室供給絞りのサイズによって調整することができる。

１実施態様では、制御室は制御室排出絞りを介して排出部と液圧結合され、該排出部を通じて流体を制御室から排出可能である。このような排出絞りによって、制御室からの流体の排出を目的に応じて調整可能である。特に、ノズルニードルの開閉挙動を制御室排出絞りのサイズによって調整することができる。

１実施態様では、噴射室排出絞り（バイパス絞り）を備えた噴射室排出通路（バイパス通路）が設けられ、流体を噴射室排出通路と噴射室排出絞りとを通じて噴射室から排出可能である。このような噴射室排出通路により、噴射室内の流体圧をノズルニードル下方で迅速に分解可能であり、その結果高い閉鎖速度が実現可能である。

１実施態様では、供給部は一方向供給弁を介して圧力室と液圧結合されている。圧力室は流体の圧力を増大させるために形成されている。一方向弁は流体が圧力室から供給部へ逆流するのを阻止する。このような逆流は圧力室内での圧力の上昇を阻害し、或いは、阻止するものである。

１実施態様では、圧力室の容積は加圧要素の移動によって可変である。従って、噴射圧を流体供給部内での流体の圧力よりも大きくさせることができる。特に、噴射装置の流体は高い（噴射）圧力で供給する必要はなく、外部の高圧ポンプ、煩雑で高価で不具合が生じやすい高圧管を設けずに済む。

１実施態様では、噴射室排出通路は圧力室と液圧結合されている。従って、噴射室からの流体は、閉鎖過程の速度を高めるために、特に吸込み過程中に圧力室の容積が拡大する時に噴射室排出通路を通じて噴射室から圧力室内へ排出させることができる。

１実施態様では、噴射室排出通路内に、一方向弁が設けられている。一方向弁は、流体が圧力室から噴射室排出通路を通って噴射室内へ流れるのを阻止する。このような流体の流れは、ノズルニードルの開閉挙動に影響してコントロール不能にさせる。

１実施態様では、加圧要素は圧力室を画成するダイヤフラムとして形成されている。ダイヤフラムは、好適に制御可能な優れた加圧要素を提供する。ダイヤフラムはプラスチックおよび／または金属を含む材料から作製されていてよい。プラスチックから作製されたダイヤフラムは軽量であり、わずかな力で迅速に運動可能である。金属を含んでいるダイヤフラムは、噴射装置内の流体の高圧高温に対し特に抵抗力がある。

１実施態様では、噴射室排出通路は排出部と液圧結合されている。排出部と結合されているこのような噴射室排出通路は、噴射室から流体を特に効率的に且つ迅速に排出するのを可能にする。

１実施態様では、噴射室排出通路内に、制御可能な切換え弁が形成されている。噴射室排出通路内の制御可能な切換え弁により、噴射室排出通路を目的に応じて開閉させることができる。これは、切換え弁の開閉によるノズルニードルの効率的で簡単な制御を可能にする。

１実施態様では、制御室も制御可能な切換え弁を介して排出部と液圧結合されている。これは、切換え弁の開閉によるノズルニードルのさらに効率的な制御を可能にする。

次に、本発明を添付の図面を用いて詳細に説明する。

本発明による噴射装置の第１実施例の断面図である。 本発明による噴射装置の第２実施例の断面図である。

図面を用いた以下の説明では、「上」および「下」のような記載は、それぞれに図示した本発明の実施例をわかりやすく説明するためのものであり、本発明は図示した実施例または特定の配向或いは取り付け位置に限定されるものではない。

図１は本発明による噴射装置１の第１実施例の断面図である。

本発明による噴射装置１は、たとえば筒状に長手軸線Ａのまわりに形成されたノズル本体７を有し、その長手軸線Ａに沿って噴射室１２が形成されている。噴射室１２は、図１において下部に図示した第１の筒状領域１２ａと、その上方に配置されている第２の筒状領域１２ｃとを有している。

第１の筒状領域１２ａは、長手軸線Ａに対し直角に方向づけられた面内において、第２の筒状領域１２ｃよりも小さな横断面を有している。第１および第２の筒状領域１２ａ，１２ｃの間には切頭円錐状領域１２ｂが形成され、その横断面は長手軸線Ａに沿って第１の筒状領域１２ａから第２の筒状領域１２ｃの横断面へ拡大している。

噴射室１２の第１の筒状領域１２ａの、図１において下部に図示した端面側端部には、噴射穴４４が形成され、該噴射穴を通じて噴射過程中に流体が噴射室１２から流出する。

噴射室１２内には、実質的に筒状に形成されたノズルニードル１４が配置され、その長手軸線はノズル本体７の長手軸線Ａに沿って配向されている。ノズルニードル１４は下部筒状領域１４ａと上部筒状領域１４ｂとを備えるように形成され、この場合ノズルニードル１４の上部筒状領域１４ｂは、ノズルニードル１４の長手軸線Ａに対し直角に配置される面内において、下部筒状領域１４ａよりも大きな横断面を有している。下部筒状領域１４ａと上部筒状領域１４ｂとの間には、切頭円錐状移行領域１４ｃが形成され、その横断面は、長手軸線Ａに対し平行にノズルニードル１４の下部筒状領域１４ａの横断面から上部筒状領域１４ｂの横断面へ拡大するように延在している。

ノズルニードル１４は、長手軸線Ａに沿って下部閉鎖位置と上部開口位置との間で移動可能である。ノズルニードル１４が下部閉鎖位置にあれば、ノズルニードル１４の下部筒状領域１４ａは、噴射穴４４の上方に位置するようにノズル本体７に形成された弁座４６上に載置されて、実質的に流体を密封するように弁座４６を閉鎖し、その結果流体が噴射穴４４を通じて噴射室１２から流出することはない。

ノズルニードル１４の上端１４ｄは、筒状の制御室スリーブ１８によって取り囲まれている。制御室スリーブ１８の内側には、ノズルニードル１４の上端１４ｄの上方に制御室２０が形成され、その容積はノズルニードル１４が長手軸線Ａに沿って移動することにより可変である。逆にノズルニードル１４は、制御室２０と噴射室１２との間の圧力差を変化させることによって移動可能である。

ノズルニードル１４の上部筒状領域１４ｂの周には、制御室スリーブ１８の下方に支持リング１５が形成されている。支持リング１５と制御室スリーブ１８との間には、ノズルニードル１４の周のまわりに筒状のノズルニードル弾性要素１６が配置され、該ノズルニードル弾性要素は、その複数の端面でもって一方では制御室スリーブ１８で支持され、他方では支持リング１５で支持され、ノズルニードル１４を下部閉鎖位置方向に弾性で押圧させる。

制御室２０は、ノズルニードル１４とは逆の側のその上面において、絞り板６によって画成される。絞り板６の内部には、複数の流体通路２２，２４，２６，３０が形成されている。

絞り板６の上方には弁板５が配置されている。弁板５内には一方向弁３２，３４，３６が形成され、この場合これら一方向弁３２，３４，３６のそれぞれは、絞り板６内に形成されている少なくとも１つの流体通路２２，２４，２６，３０と液圧結合している。一方向弁３２，３４，３６はたとえば逆止弁として形成されていてよい。

弁板５の上方には制御板４が配置され、該制御板内には１つの圧力室５０と３つの流体通路３６，４０，４２とが形成されている。３つの流体通路３６，４０，４２のそれぞれは、圧力室５０を、弁板５内に形成されている一方向弁３２，３４，３６とそれぞれ液圧結合させている。

特に、圧力室５０は供給通路４２と供給弁３６とを介して流体供給部９と液圧結合され、該液圧供給部を通じて外部の流体源から噴射装置１に流体を供給可能である。供給弁３６は、流体供給部９から圧力室５０内への流体の流れを可能にし、且つ圧力室５０から流体供給部９への流体の逆流を阻止するように、一方向弁として形成されている。

圧力室５０は、弁板４内に形成されている圧力通路４０と、弁板５内に形成されている圧力弁３４と、絞り板６内に形成され、制御室絞り２５が設けられている制御室通路２４とを介して、制御室２０と液圧結合されている。加えて、絞り板４内に形成されている噴射室通路２２が圧力弁３４を噴射室１２と液圧結合させている。圧力弁３４は、圧力室５０から制御室２０内および噴射室１２内への流体の流れを可能にし、且つ制御室２０および／または噴射室１２から圧力室５０内への流体の流れを阻止するように、一方向弁として形成されている。

噴射室１２は、さらに、絞り板６内に形成され、噴射室排出絞り（バイパス絞り）３１を有している噴射室排出通路（バイパス通路）３０と、弁板５内に形成されている噴射室排出弁（バイパス弁）３２とを介して、圧力室５０と液圧結合されている。噴射室排出弁３２は、噴射室１２から圧力室５０内への流体の流れを可能にし、且つ逆方向への流体の流れを阻止するように、すなわち圧力室５０から噴射室１２内への流れを阻止するように、一方向弁として形成されている。

圧力室５０の、制御板４とは逆の側は、弾性ダイヤフラム２によって画成される。弾性ダイヤフラム２は、弁板５の上方に位置するように、長手軸線Ａに対し実質的に直角な面内に張られている。長手軸線Ａのまわりに形成されている、ダイヤフラム２の中央領域２ａは、アンカー１０と結合され、該アンカーは、ダイヤフラム２の、制御板４とは逆の側に配置されている。

アンカー１０の、ダイヤフラム２とは逆の側の上部領域のまわりには、間隔部材３によって長手軸線Ａに対し平行に弾性ダイヤフラム２から間隔を有している電磁石１１が配置されている。アンカー１０は、電磁石１１の起動または作動停止によって長手軸線Ａに対し平行な方向に移動可能である。アンカー１０のこのような移動によって、弾性ダイヤフラム２は圧力室５０の容積が変化するように移動する。

電磁石１１と、間隔部材３と、アンカー１０と、ダイヤフラム２とは、周方向において且つノズルニードル４とは逆の側で、下方へ開口したグラス状のノズル締め付けナット８によって取り囲まれている。ノズル本体７は、噴射装置１が閉鎖されて流体を密封するように、ノズル締め付けナット８の開口側に挿入されて該ノズル締め付けナット８と螺着している。

流体を圧力室５０内へ吸い込むため、電磁石１１を作動停止させる。電磁石１１が作動しているときに変形する弾性ダイヤフラム２は、その固有弾性によりその出発吸込み位置へ移動する。弁板５内に形成されている供給弁３６と液圧結合されている流体供給部９からの流体は、この方向での流体の流れのために開いている供給弁３６と、制御板４内に形成されている供給通路４２とを通じて、圧力室５０内へ流動する。

圧力室５０内の圧力が噴射室１２内の圧力または制御室２０内の圧力よりも大きくなければ、噴射室排出弁３２と圧力弁３４とは閉じている。これにより、噴射室排出弁３２と圧力弁３４とは、流体が噴射室１２および／または制御室２０から圧力室５０内へ流動するのを阻止する。

噴射過程を開始するため、電磁石１１を起動し（通電し）、その結果電磁石１１によって発生する磁力により、アンカー１０と、これとともに弾性ダイヤフラム２の中央領域２ａとは、「下方へ」制御板４の方向に移動する。弾性ダイヤフラム２は圧力室５０の容積を減少させ、圧力室５０内の圧力が高くなる。

圧力室５０内の圧力が高くなることにより、圧力弁３４が開き、圧力室５０からの流体は、開いている圧力弁３４と絞り板６内に形成されている供給通路２２とを通じて噴射室１２内へ流れる。

同時に、圧力室５０からの流体は、開いている圧力弁３４と絞り板６内に形成されている制御室通路２４とを介して制御室２０内へ流れる。

制御室通路２４内には制御室絞り２５が形成されており、これによって圧力室５０から制御室２０内への流体の流れが絞られ、流体の流れによって制御室２０内に生じる圧力上昇は、圧力室５０から噴射室１２内への流体の流れによって生じる噴射室１２内の圧力上昇に比べて時間的に遅れる。

制御室２０内でよりも噴射室１２内でより迅速に上昇する流体圧により、上向きの力がノズルニードル１４に作用し、この上向きの力はノズルニードル１４を、ノズルニードルスプリング１６の力と、制御室絞り２５のためにまだそれほど著しく上昇していない制御室２０内の圧力とに抗して、閉鎖位置から開口位置へ移動させる。ノズルニードル１４の下部領域１４ａは弁座４６から持ち上がり、流体は噴射穴４４を通じて噴射室１２から流出する（噴射過程）。

ノズルニードル１４の開口運動によって制御室２０から排出された流体は、絞り板６内に形成されている、排出絞り２８を内設した排出通路２６と、図１では見えない排出部とを通じて、制御室２０から流出する。

噴射室１２内の流体圧が該噴射室１２から流出する流体のために降下して、制御室２０内の流体圧とノズルニードル弾性要素１６の力との双方に抗してノズルニードル１４を開口位置で保持するために十分でなくなるまで、圧力上昇状態にある流体は開口している噴射穴４４を通じて噴射室１２から流出する。ノズルニードル１４は、制御室２０内の流体圧とノズルニードル弾性要素１６の力とによって再び下部閉鎖位置へ押され、この下部閉鎖位置においてノズルニードル１４の下部領域１４ａが弁座４６上に載置されて噴射穴４４を閉鎖する。

電磁石１１を作動停止させると、ダイヤフラム２は再びその出発吸込み位置へ移動する。圧力室５０の容積は大きくなり、圧力室５０内の圧力が減少し、その結果噴射室１２内の圧力は、噴射室排出通路３０を通じて噴射室１２から圧力室５０内へ流体がさらに流れることによってより迅速に分解することができ、ノズルニードル１４の閉鎖過程の速度が増大する。

噴射室排出通路３０と、噴射室排出絞り３１と、噴射室排出弁３２とは、閉鎖過程を加速させるためのオプションである。ノズルニードル１４の開閉挙動、特に開閉速度は、制御室絞り２５、排出絞り２８、および場合によっては噴射室排出絞り３１のサイズによって合目的に調整可能である。

図２は本発明による噴射装置５１の第２実施例を示している。

第２実施例の、噴射室１２およびノズルニードル１４を備えたノズル本体７と絞り板６とは、図１に図示した第１実施例と同様に構成され、それ故新たに詳細に説明しない。

所望の噴射圧を生じさせる、第２実施例の噴射装置５１の圧力発生部分は、図２に図示した部分には示されていない。

噴射過程を開始するため、噴射圧のもとにある流体は、弁板５内に形成されている供給部９（この実施例では、該供給部内に一方向弁は設けられていない）へ案内される。流体は、第１実施例の場合と同様に、絞り板６内に形成されている供給通路２２を通じて噴射室１２内へ流動するとともに、制御室通路２４と制御室絞り２５とを通じて制御室２０内へ流動する。

制御室２０は、制御室排出絞り２８が設けられている制御室排出通路２６を介して、弁板５内に形成されている切換え弁５２の弁室と連通している。噴射室１２は、噴射室排出絞り３１が設けられている噴射室排出通路３０を介して、切換え弁５２の弁室と液圧結合されている。切換え弁５２は、出口側が、流体を噴射装置５２から排出するために形成されている図示していない排出部に開口している。

切換え弁５２は可動閉鎖体５４を有し、該可動閉鎖体は静止状態で該可動閉鎖体５４を取り囲んでいる切換え弁弾性要素５６により上部閉鎖位置へ押され、該上部閉鎖位置において可動閉鎖体は弁室から排出部への流体の流れを阻止する。

第１実施例の弁３２，３４，３６とは異なり、切換え弁５２は、流体の流れまたは流体圧の差によって制御されるパッシブな一方向弁ではない。むしろ、切換え弁５２の閉鎖体５４は、弁板５の上方に配置されている、たとえば電磁アクチュエータまたはピエゾアクチュエータとして構成されているアクチュエータ５８と機械的に結合されている。閉鎖体５４は、アクチュエータ５８を作動させることによって切換え弁弾性要素５６の力に抗して開口位置へ移動可能であり、該開口位置で閉鎖体は切換え弁５２での流体の貫流を可能にする。切換え弁５２が開くと、流体は制御室２０から排出通路２６と排出絞り２８とを通って、および、噴射室１２から噴射室排出通路３０と噴射室排出絞り３１とを通って、切換え弁５２の下流側に配置されている排出部（図２には図示せず）へ排出される。

噴射過程を開始するため、切換え弁５２が閉じたときに、噴射装置５１の供給部２５に、噴射圧のもとにある流体が供給される。第１実施例の場合と同様に、制御室通路２４内に形成されている制御室絞り２５により、供給された流体は制御室２０内へ流動するよりも早く噴射室１２内へ流動し、噴射室１２内の圧力は制御室２０内の圧力よりも迅速に上昇する。噴射室１２と制御室２０との間の圧力差が所定の臨界値を越えると、ノズルニードル１４は閉鎖位置から開口位置へ移動して噴射穴４４を開放し、その結果流体が噴射室１２から噴射穴４４を通って流出する（噴射過程）。

噴射過程を終了させるため、アクチュエータ５８を次のように制御し、すなわち該アクチュエータが切換え弁５２を開き、流体が噴射室１２から噴射室排出通路３０と噴射室排出絞り３１とを通って、および、制御室２０から制御室排出通路２６と制御室排出絞り２８とを通って排出されるように、制御する。この場合噴射室排出絞り３１と制御室排出絞り２８とのサイズは、噴射室１２内の圧力が制御室２０内の圧力よりも早く降下するように選定されている。これにより、制御室２０内の圧力は一時的に噴射室１２内の圧力よりも高くなる。制御室２０と噴射室１２との間のこの圧力差により、ノズルニードル１４はノズルニードル弾性要素１６との協働で閉鎖位置へ押され、該閉鎖位置でノズルニードル１４は噴射穴４４を閉鎖させ、噴射過程が終了する。

本発明による噴射装置１，５１の構成要素、特にダイヤフラム２と弁３２，３４，３６，５２は、プラスチックから低コストで且つ軽量に作製されていてよい。耐圧性および耐熱性に対する要求が高度な場合は、金属部品も使用することができる。特に、弁として、コモンレール燃料噴射装置から公知であるような金属弁を使用することができる。

１ 噴射装置
９ 供給部
１２ 噴射室
１４ バブルニードル、ノズルニードル
２０ 制御室
３０ 噴射室排出通路
３１ 噴射室排出絞り
４０ 供給部
４２ 供給部
４４ 噴射穴
５１ 噴射装置

Claims (6)

1. 噴射装置（１；５１）であって、
   バルブニードル（１４）と、
   圧力室（５０）内の流体の圧力を変更するために適した装置（２，１０，１１）を備えるように形成された前記圧力室（５０）と、
   少なくとも１つの噴射穴（４４）を備えた噴射室（１２）と、
   制御室（２０）と、を備え、
   前記噴射装置（１；５１）は、前記噴射室（１２）と前記制御室（２０）との間の圧力差が、前記バルブニードル（１４）を、該バルブニードル（１４）が前記噴射穴（４４）を流体が通過するように解放する開口位置と、前記バルブニードル（１４）が前記噴射穴（４４）を閉鎖する閉鎖位置との間で移動させるように、構成され、
   前記噴射室（１２）と前記制御室（２０）とが前記圧力室（５０）と液圧結合されて、該圧力室（５０）内での圧力上昇が、前記噴射室（１２）内での圧力上昇と、該噴射室（１２）内での圧力上昇に比べて時間的に遅れた前記制御室（２０）内での圧力上昇とを生じさせ、
   噴射室排出絞り（３１）を備えた噴射室排出通路（３０）が設けられ、該噴射室排出通路（３０）は、流体を前記噴射室（１２）から前記噴射室排出通路（３０）を通じて前記圧力室（５０）内へ排出可能であるように、噴射室排出弁（３２）を介して前記圧力室（５０）と液圧結合されていること、を特徴とする噴射装置（１；５１）。
2. 前記制御室（２０）が制御室供給絞り（２５）を介して前記供給部（４０，４２；９）と液圧結合されている、請求項１に記載の噴射装置（１；５１）。
3. 前記制御室（２０）が制御室排出絞り（２８）を介して排出部と液圧結合され、該排出部を通じて流体を前記制御室（２０）から排出可能である、請求項１または２に記載の噴射装置（１；５１）。
4. 前記噴射室（１２）が一方向供給弁（３４）を介して前記圧力室（５０）と液圧結合されている、請求項１から３のいずれか一つに記載の噴射装置（１）。
5. 前記噴射室排出弁（３２）が一方向弁として形成されている、請求項１から４のいずれか一つに記載の噴射装置（１）。
6. 前記圧力室（５０）の容積が加圧要素（２）の移動によって可変である、請求項１から５のいずれか一つに記載の噴射装置（１）。

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